溫度檢測顯示器

1、附件1：學 號： 課 程 設 計課程名稱模擬電子電路題 目溫度檢測顯示器學 院信息工程學院專 業(yè)電子信息工程班 級姓 名指導教師劉運茍2015年01月15日武漢理工大學模擬電子電路課程設計說明書課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級：電信1305班指導教師：劉運茍 工作單位： 信息工程學院 題 目: 溫度檢測顯示器 初始條件： 具備模擬電子電路的理論知識；具備模擬電路基本電路的設計能力；具備模擬電路的基本調(diào)試手段；自選相關電子器件；可以使用實驗室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、檢測區(qū)間為四段：A. 溫度 B. 溫度C.溫度 D. 溫度

2、，要求對每段作出段位顯示2、測量誤差 3、標準檢測點為： 4、安裝調(diào)試并完成符合學校要求的設計說明書5、設計電源；6、焊接：采用實驗板完成，不得使用面包板。時間安排：1、 2015 年 1 月 11日集中，作課設具體實施計劃與課程設計報告格式的要求說明。2、 2015 年 1 月12日，查閱相關資料，學習電路的工作原理。2、 2015 年 1 月 12 日 至 2015 年 1 月13日，方案選擇和電路設計。2、 2015 年 1 月 14 日 至 2015 年 1 月 15 日，電路調(diào)試和設計說明書撰寫。3、 2015 年 1 月 15 日上交課程設計成果及報告，同時進行答辯。課設答疑地點：

3、鑒主14樓電子科學與技術實驗室。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 目錄摘 要I1概述12理論分析計算及設計22.1主要器件參數(shù)2 2.1.1NTC熱敏電阻2 2.1.2LM358芯片22.2理論分析與電路設計3 2.2.1 整體電路分析3 2.2.2溫度電阻電壓轉(zhuǎn)換電路4 2.2.3標準溫度分壓電路5 2.2.4電壓比較電路5 2.2.5LED區(qū)間顯示電路73Multisim仿真83.1仿真結果83.2仿真過程及結果分析114實物焊接及調(diào)試11 4.1實物焊接11 4.2成品調(diào)試125心得與體會15參考文獻15附錄16武漢理工大學模擬電子電路課程設計說明書摘要

4、本次的課程涉及便要通過所學的模擬電路知識運用運算放大器和熱敏電阻來實現(xiàn)簡單的溫度檢測，并利用發(fā)光二級管來顯示不同區(qū)段的溫度，制成一簡易的溫度檢測顯示裝置?？梢詸z測0-20，20-30，30-40，40以上四個區(qū)間段的溫度并以發(fā)光二極管予以顯示，不同溫度區(qū)間，用不同發(fā)光二極管指示。能夠?qū)^(qū)間段靈敏區(qū)分，溫度誤差不超過±2。關鍵詞： 溫度檢測； 區(qū)間顯示； 模擬電路abstract This course covers analog circuit may be learned by knowledge operational amplifier and thermistors are

5、used to implement a simple temperature detection, and using leds to display the temperature of different extents, made a simple temperature detection display device. Can detect 0-20 , 20-30 , 30 to 40 and 40 above four interval period of temperature and light emitting diode display, different temper

6、ature range, in a different light emitting diode. To interval period of sensitive to distinguish, the temperature error is not more than plus or minus 2 .Keyword：Temperature detection; Interval display; Analog circuitI 溫度檢測顯示器1. 概述本實驗需要利用模擬器件設計一個能夠檢測溫度并對溫度進行區(qū)間顯示的裝置。因為有四個區(qū)間段并且不需要具體顯示度數(shù)，我們考慮利用二極管來進行區(qū)間

7、區(qū)分，通過熱敏電阻對電壓進行分壓在通過電壓比較器來驅(qū)動二極管亮暗來進行區(qū)分。具體思路首先是幾組電阻跟溫敏電阻通過分壓實現(xiàn)電位比較，把比較的兩種電位輸給運算放大器的兩輸入端子，再通過放大器放大信號輸送給發(fā)光二級管。至于放大器的選擇我們選擇了LM358運算放大器，因為它是一個雙運放芯片，差模輸入時可以輸出電源電壓，這樣可以通過對電源電壓的選擇來控制通過二級管的電流，并且這樣設計的電路會比較美觀空間利用也比較好。設計好電路之后還會進行軟件仿真，通過mutilism可以較好地對整體電路效果進行分析與改正，這樣更有利于產(chǎn)品的準確性與可行性。 如圖1是設計流程圖：查找相關資料，特別是相關元器件的具體參數(shù)

8、設計電路 仿真 與 修改 電路設計焊接裝配圖紙，進行實物焊接 成品調(diào)試 圖1 設計流程圖142. 理論分析計算及設計 2.1主要器件參數(shù)2.1.1 NTC熱敏電阻NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫，意思是負的溫度系數(shù)，泛指負溫度系數(shù)很大的半導體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數(shù)熱敏電阻器。其主要參數(shù)如下：零功率電阻值 RT（）RT指在規(guī)定溫度 T 時，采用引起電阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計的測量功率測得的電阻值。電阻值和溫度變化的關系式為：RT = RN expB(1/T 1/TN)RT ： 在溫度 T （ K ）時的

9、NTC 熱敏電阻阻值。RN ： 在額定溫度 TN （ K ）時的 NTC 熱敏電阻阻值。T ： 規(guī)定溫度（ K ）。B ： NTC 熱敏電阻的材料常數(shù)，又叫熱敏指數(shù)。 圖2 NTC熱敏電阻特性曲線exp： 以自然數(shù)e 為底的指數(shù)（ e = 2.71828 ）。 該關系式是經(jīng)驗公式，只在額定溫度 TN 或額定電阻阻值 RN 的有限范圍內(nèi)才具有一定的精確度，因為材料常數(shù)B 本身也是溫度 T 的函數(shù)。2.1.2 LM358芯片 LM358是雙運算放大器。內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與

10、電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。它具有如下特性：內(nèi)部頻率補償直流電壓增益高(約100dB)；單位增益頻帶寬(約1MHz)；電源電壓范圍寬：單電源(330V)；雙電源(±1.5 一±15V)；低功耗電流，適合于電池供電· 低輸入偏流；低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；共模輸入電壓范圍寬，包括接地；差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V) 圖3 LM358引腳圖2.2 理論分析計算2.2.1 整體電路分析由于該設計目標是檢測四段區(qū)間的溫度：A.，B.，C.，D.，并對每

11、段作出段位顯示，要求測量誤差為。標準檢測點為： 。則根據(jù)起初的設計思路，需要四路輸出進行顯示，于是使用4個運算放大器和4個二極管及電阻、可調(diào)電阻組成。我們查詢了相關參數(shù)，得到熱敏電阻的部分溫度阻值對應表，如表1所示：T() R(K)T() R(K)T() R(K)0.0 32.503015.0 15.704928.5 8.58896.5 23.532016.0 14.994429.0 8.40637.0 22.966117.0 14.319829.5 8.22817.5 22.415417.5 13.995430.0 8.05418.0 21.879518.0 13.679230.5 7.88

12、428.5 21.357918.5 13.371034.0 6.80269.0 20.850219.0 13.070538.5 5.65019.5 20.355919.5 12.777739.0 5.5363 表1 NTC熱敏電阻部分R/T對照表 型號: mfh103-3950由于multisim中沒有熱敏電阻，因而我們用一個最大阻值為40K的變阻器來代替熱敏電阻，LM358用來放大電流信號以便讓發(fā)光二級管工作，發(fā)光二級管用來顯示溫度所在區(qū)段，根據(jù)需要，查出在0、19、29、39時溫敏電阻的阻值分別為32.5k、13.1k、8.4k、5.5k，將電路圖中R1、R2、R3、R4阻值分別設置為這四

13、個阻值即可，因為從LM358參數(shù)中有：在單電源供電情況下，LM358在正極輸入大于負極輸入時，輸出Vout=Vcc-1.5V，負極輸入大于正極輸入時輸出Vout=0，其中VCC為正電源，例如VCC=+5V，在這種條件下，只要使放大器正輸入端電位大于負輸入端即可讓發(fā)光二級管發(fā)光，當負輸入端電位大于正輸入端電位時發(fā)光二級管無法發(fā)光。而根據(jù)計算：因此只要滿足R1>R10時，第一個發(fā)光二級管即可發(fā)光，所以可直接取臨界條件R1=32.5k因此可以直接取R1=10k、R2=6.8k、R3=4.7k、R4=2.2k即可滿足條件。整體電路設計電路圖如下： 圖4 整體設計電路2.2.2溫度電阻電壓轉(zhuǎn)換電路

14、熱敏電阻阻值與溫度的關系：又由分壓公式可得：兩式聯(lián)立即可得到電壓和溫度的關系。 圖5 電阻-電壓轉(zhuǎn)換部分2.2.3標準溫度分壓電路由設計電路可知類似的，四組電橋的平衡條件為：其具體電路如圖所示： 圖6 惠根思電橋 圖7 多組惠根思電橋因此，只要選取適當比值的分壓電阻R1R8就能滿足要求。而題目中要求的監(jiān)測溫度區(qū)間為0、19、29、39，查表可得其對應的熱敏電阻阻值為33.62k、13.13k、8.39k、5.52k，對應電阻比值依次為：1.69、3.76、5.48、7.83。列成下表如圖3-2： 表2 分壓電阻對應表2.2.4 電壓比較電路在熱敏電阻的分壓下，通過惠根思電橋電路將標準溫度與實時

15、溫度以電壓的形式引出，在通過電壓比較器進行比較進行輸出。電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的運算放大器。電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系)：當”+”輸入端電壓高于”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平；當”+”輸入端電壓低于”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平；可工作在線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)。工作在線性工作區(qū)時特點是虛短，虛斷；工作在非線性工作區(qū)時特點是跳變，虛斷；由于比較器的輸出只有低電平和高電平兩種狀態(tài)，所以其中的集成運放常工作在非線性區(qū)。從電路結構上看，運放常處于開環(huán)狀態(tài)，又是為了使比較器輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換更加快速，以提高響應速度，

16、一般在電路中接入正反饋。因LM324輸出范圍為0Vcc-1.5V,考慮到發(fā)光二極管電壓1.62.1V,，因此電源電壓至少3.5V,取三節(jié)1.5V干電池作電源電壓。后級LED工作電流約15mA,而運放的帶負載能力達到9mA,因此選用普通LED（紅）串聯(lián)一個電阻作為后級負載。所以將四個電壓比較器的反相端都與熱敏電阻的高壓端相連取得實時溫度下熱敏電阻的分壓，作為電壓比較器的比較標準。四個比較器的同相端分別與四路標準分壓電路的分壓電平相接，分壓電平取固定值。這樣隨著溫度的升高，熱敏電阻阻值降低，分壓降低，則電壓比較器的標準電壓降低，當標準電壓低于每路設置的固定電壓時，運算放大器可以進行輸出。 圖8 電

17、壓比較電路與標準電壓的設置2.2.5 LED區(qū)間顯示電路 溫度檢測的顯示功能我們擬用發(fā)光二極管進行實現(xiàn)。發(fā)光二極管簡稱為LED。由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。砷化鎵二極管發(fā)紅光。它是半導體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向?qū)щ娦?。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料

18、中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過二極管的電流。限流電阻R可用下式計算：由于電源電壓Vcc為3.5V，發(fā)光二極管的功率為：其中R為限流電阻，LV為發(fā)光二極管正向偏壓，此時流過發(fā)光二極管的電流為:I一般為210mA,LV在1.632.03V內(nèi)，代入后取R近似值200。 圖9 LED區(qū)間顯示電路3.Multisim仿真 電路設計好以后便要進行軟件仿真，在眾多的仿真軟件中，優(yōu)先選擇Multisim

19、， Multisim是根據(jù)Pspice而設計的，通過Multisim和虛擬儀器技術，就可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原形設計和測試這樣一個完整的設計流程。它具有直觀的圖形界面、豐富的元器件、強大的仿真能力、豐富的測試儀器、完備的分析手段、獨特的射頻模塊、強大的MCU模塊、完善的后處理、詳細的報告、兼容性好，而且它很實用，比其他仿真軟件功能強大，操作更簡單，在仿真時只需要在multisim中新建文件并按照設計的電路連接好電路圖，設置好各元件參數(shù)后啟動multisim仿真，觀察仿真結果。 連續(xù)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻阻值模擬溫度變化，然后再觀察測量四個所需溫度點的結果，即把可調(diào)電阻阻值分別調(diào)到10k、6

20、.8k、4.7k、2.2k，觀察發(fā)光二級管的亮滅情況并分別測量流過發(fā)光二級管的電流值。再根據(jù)仿真情況適當修改參數(shù)，使電路仿真結果達到最佳狀態(tài)。3.1仿真結果 圖10 仿真電路與所測對象 圖11 0時第一個LED點亮 圖12 20時第二個LED點亮 圖13 30時第三個LED點亮 圖14 40時第四個LED點亮3.2 仿真結果分析在multisim中連接好電路并啟動仿真后，依次調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的阻值，使其剛好為熱敏電阻在0、20、30、40時候的阻值。查表可知，查表可得0、20、30、40時對應的熱敏電阻阻值為33.62k、13.13k、8.39k、5.52k，所以將等效的變阻器分別調(diào)到40%，30

21、%，20%，13%，由上面的仿真結果圖可以發(fā)現(xiàn)，當滑動變阻器調(diào)整正確時，LED都能正常亮起，同時觀察第一個萬用表的電壓示數(shù)與相應的檢測電路分壓大致相同，可見檢測部分的電路理論正確可以執(zhí)行。觀察四路比較器的輸出電路的探針所示的電流也都在10mA以下，電壓都為3.5V，也證明了比較、輸出部分的正確。綜上，該電路設計在誤差范圍內(nèi)正確，可以進行實物焊接，具體調(diào)試可以在焊接成品之后再進行。4. 實物焊接及調(diào)試4.1實物焊接根據(jù)電路圖進行實物裝配，由于四路監(jiān)測四路輸出，而運放芯片是雙運放芯片，所以考慮將芯片放在兩路檢測電路之間上下連接，這樣在節(jié)省空間的同時可以做到裝配圖的完全對稱，甚至背面的罕見線路也是對

22、稱的，較為美觀。裝配圖與連線圖如下： 圖15 實物正面裝配圖 圖16 實物反面連線圖4.2成品調(diào)試成品的熱敏電阻處我們使用的是用兩孔排針通過杜邦線接熱敏電阻的方式，這樣還可以把熱敏電阻與板子分離更好地使用，同時也能更好的方便我們進行測試。焊好實物后，我們先進行了最初的功能實現(xiàn)測試，通過短接、斷開熱敏電阻所連排針，可以先大致的測試出分壓最大與最小的情況是否能四燈全亮與四燈全滅，滿足該情況則說明電路連接無誤，可以進行接下來的測試。確定電路連接無誤后，我們通過一個燒了溫度檢測程序的單片機連接一個DS18B20和設計電路板的熱敏電阻一起放到一杯水中，通過添加熱水，調(diào)節(jié)滑動變阻器進行溫度測量的校準。進行四段溫度校準后該設計也就成功了，下面是最后的測試效果圖： 圖17 0-19范圍內(nèi)一溫度的檢測效果 圖18 19檢測點檢測效果圖 圖18 19檢測點檢測效果圖 圖19 29檢測點檢測效果圖圖20 39檢測點檢測效果圖 圖21 40以上溫度檢測效果圖5.心得與體會在拿到這個題目之后，其實我們的第一反應是用單片機和DS18B20模塊進行溫